镁盐晶须在阻燃防火上的应用  
    镁盐晶须(简称MOS),是高性能无机阻燃增强材料。镁盐晶须一般以氧化镁或氢氧化镁和硫酸镁为原料,将氢氧化镁或氧化镁分散在硫酸镁水溶液中,加压并加热至170~270℃进行水热合成反应,将生成物洗涤、脱水、烧成,得到镁盐晶须。采用该法对扩大生产规模有固难,成本亦高。上述方法的改进采用特定性状的氧化镁粉末(表观密度0.7以上,粒径100μm以下,纯度95%以上),将其分散在可溶性硫酸盐水溶液中,制成含氧化镁10%以下(最好5%)的料浆,在充分搅拌下加热到60℃以上,生成蚕茧状碱式硫酸镁。经强剪切力作用,使生成物破碎,解纤,再经过滤回收、干燥、粉碎,得到纤维状镁盐晶须。
  

     晶须存在的主要形式有MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O2MgSO4·Mg(OH)2·3H2O。通过镁盐晶须产物的电子衍射谱图(见图1)分析可知,其结构式为MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O。 

一、补强阻燃塑料
    镁盐晶须加入各种塑料,有很明显的补强效果,适合于通用塑料增强和阻燃使用。
    镁盐晶须对材料拉伸性能的影响,如下图。

 
 图3 镁盐晶须含量对塑料复合材料拉伸性能的影响
   
    由图3可知,随着镁盐晶须含量的增加,塑料复合材料的拉伸强度逐渐升高,当镁盐晶须的含量达到40%时拉伸强度达到最大值,随后拉伸强度逐渐下降;当含量超过50%时,拉伸强度又呈现上升的趋势。出现这一现象的原因与镁盐晶须在体系中的分散状态和含量有关。当含量低于40%时,镁盐晶须在体系中分散情况较好,镁盐晶须的存在一方面能够吸收外界能量,提高产生裂纹的应力值,另一方面,由于镁盐晶须具有高的形变能力和抗张强度,它能加速能量的逸散并抑制裂纹的延伸,从而提高材料的拉伸强度;当的含量在40-50%之间时,由于镁盐晶须的极性较强,容易聚集成团,导致在基体中的分布不均,对材料产生了不利的影响;当镁盐晶须的含量超过50%时,此时体系变为聚乙烯塑料LDPE填充镁盐晶须,拉伸强度的提高体现了镁盐晶须自身的力学性质。
二、镁盐晶须的热分解特性
    在聚乙烯塑料中添加无机阻燃剂来制备无卤阻燃材料已经得到了广泛的应用,聚乙烯常用的无机阻燃剂主要有磷酸盐类、金属氢氧化物类、金属氧化物类等,表2列出了镁盐晶须 、Mg(OH)2 、Al(OH)3这三种无机阻燃剂的热分解特性。 
 

 

比重(g/cm3)

mol结合水(%)

分解温度(°C)

吸热量(J/g)

Al(OH)3

2.42

24.6

200

1968

Mg(OH)2

2.4

31.0

340

773

MOS

2.3

37.5

306.8421.4

321500

表2 无机阻燃剂的主要热分解特性
   
    镁盐晶须和Mg(OH)2 、Al(OH)3的阻燃机理相同,即在燃烧时发生脱水反应吸收大量的外界热能从而降低基材的温度,生成的水蒸汽不仅能稀释火焰区反应气体的浓度而且能吸收烟雾,起到消烟的作用。从表2中可以看出,镁盐晶须开始释放水的温度高于Al(OH)3,它有两个分别为306.8°C和421.4 °C吸热峰,这两个温度正对应于聚乙烯的热分解区域为340-440°C,而且吸收的热量高于Mg(OH)2,因此镁盐晶须克服了Al(OH)3分解温度低以及Mg(OH)2吸热量不高的缺点,不仅能适应成型加工时较高的温度而且能表现出良好的阻燃效果。
 
图4 阻燃LDPE体系热释放速率
   
    由图4我们可以看到,纯LDPE的着火时间为70秒,最大热释放速率很高,为1268kW/m2;添加10%的镁盐晶须时,着火时间为85秒,最大热释放速率为857 kW/m2;添加20%的镁盐晶须时,着火时间为90秒,最大热释放速率为604 kW/m2;添加30%的镁盐晶须时,着火时间为95秒,最大热释放速率为510 kW/m2;添加40%的镁盐晶须时,着火时间为105秒,最大热释放速率为402 kW/m2;加50%的镁盐晶须时,着火时间为110秒,最大热释放速率为295 kW/m2;加60%的镁盐晶须时,着火时间为120秒,最大热释放速率降为167 kW/m2。图中可以明显看出纯样随着时间的推移有一个剧烈的燃烧放热阶段,而镁盐晶须加入,这个放热阶段逐渐后移,着火时间逐渐后延,且热释放速率变得平缓,并以两个燃烧放热阶段出现,第一个阶段为镁盐晶须失去结晶水,第二个阶段为镁盐晶须脱羟基和聚乙烯分解过程,这样就避免了材料在一个阶段内剧烈反应而造成火灾的轰然现象。由分析可知,随着镁盐晶须含量的增加,复合材料的热释放速率降低,着火时间也向后推移。表明镁盐晶须能够有效的降低LDPE的燃烧性。
三、镁盐晶须在阻燃纸上的应用
  阻燃和不燃纸在各种工业材料、电气材料、建材和食品相关领域需要量很大。目前用的不燃纸较多的是用氢氧化铝粒状品制造,燃烧后纸的形状不能保持。用镁盐晶须制成的不燃纸能保持形状,并能在造纸时,由于镁盐晶须有很好的滤水性,可保证良好的制作工艺。 
 
表3 阻燃纸的组成与物性
 
No.
组成 (%)
物性
MOS
天然纸浆
其他粘合剂
厚度
(mm)
坪量
(g/m2)
密度
(g/cm2)
1
65
10
25
0.43
187
0.44
2
65
10
25
3.15
2422
0.77

四、镁盐晶须在防火涂料上的应用
    镁盐晶须加入丙烯酸基涂料、环氧树脂基涂料等树脂基涂料中,能使涂料粘度成指数增加,具有很好的增稠性和触变性,可大大提高使用性能和涂抹效果。这一特性使它们在涂料和粘合剂领域有很好的应用前景。
  目前,市场上销售的钢结构防火涂料,无论厚涂型、薄涂型还是矿物棉类建筑防火隔热涂料其中都或多或少地添加了岩棉纤维、陶瓷纤维、硅酸铝纤维等纤维材料,其目的就是减少施工过程或涂层初期干燥过程中出现的龟裂现象;同时加入高熔点的无机纤维,能增加涂层的火焰中的整体性及涂层在火灾中骤冷骤热情况下不开裂等性能。另外,纤维材料的增强作用和增稠作用,可以使得涂料施工每一遍的厚度增加,减少了施工次数,从而降低了施工费用和缩减了工期。
   超薄型钢结构防火涂料虽然理化性能强于厚涂型、薄涂型钢结构防火涂料,但是其由于自身组分及配比的关系,其每遍涂刷量较少,一般一遍涂层厚度只能达到0.2-0.6毫米,如果要达到涂刷规定的厚度一般要十几遍以上,施工耗时耗力。如果强行增加每遍的厚度,就会造成涂层流坠、滴落、乳突、开裂等现象,既浪费材料,又达不到良好的后期效果。如果采用硅酸铝纤维等纤维材料填充,由于这类纤维平均直径为3-8mm,长度达到100-250 mm,必然造成涂料分散困难,涂料中出现许多颗粒状物质,并且有少量结块,涂层外观粗糙,涂层受热发泡能力、隔热隔火能力大幅度下降,这就失去了超薄型钢结构防火涂料的固有特性,无法达到国家标准规定的该类产品厚度2.00±0.20 mm,耐火极限达到1.0小时的要求。
  基于以上的情况,采用直径为0.8-1.2 mm,长度为20-200 mm的 镁盐晶须材料填充。按一定的比例高速搅拌分散到已有的超薄型钢结构防火涂料中,在15分钟内就可以完全分散均匀,涂料粘度增加了一倍。经搅拌后涂料状态呈均匀细腻状态,无结块;施工厚度从原来的0.5 mm提高到0.9 mm,防流挂性能提高;测试其性能,粘结强度从0.64Mpa提高到1.28Mpa,耐水、耐冷热循环性能都显著提高;在耐火实验中,发现晶须的加入提高了涂层及炭化层在火焰中的强度,避免分解反应中逸出大量的气体造成炭化层结构的破坏。
   在阻燃和防火上具有相似应用的晶须材料还有:氢氧化镁晶须、二氧化硅晶须、硼酸镁晶须、硼酸铝晶须、氧化锌晶须、氧化镁晶须等。
五、结束语 
    晶须材料作为一类新颖的增强材料,具有高强度、坚韧、耐温、阻燃、耐磨、防腐、绝缘、阻尼、吸波等功能,可以用于复合各种塑料(如聚乙燃、聚丙燃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酯、酚醛和环氧树脂)、制作塑料门窗型材及增强塑料管材、增粘增强涂料、造阻燃纸、作轻型建筑材料和过滤材料等,具有很好的深度开发和有广阔的应用前景。晶须增强阻燃塑料新型复合材料的开发和在汽车、电子电气、化工、建材等工业领域的应用,必将对提高产品的整体质量、赶超世界先进水平有重要影响,在促进和带动塑料工业和相关行业的发展中起积极作用。